Cableado óptico para grandes ordenadores cuánticos

El chip de trampa de iones con guías de ondas integradas. La luz láser se alimenta al chip a través de las fibras ópticas de la derecha. - K. METHA / ETH ZURICH

   MADRID, 22 Oct. (EUROPA PRESS) -

   La construcción de computadoras cuánticas a gran escala basadas en átomos atrapados se abre camino con una nueva técnica para realizar operaciones cuánticas sensibles en átomos.

   El nuevo método desarrollado por investigadores de ETH Zurichpermite enviar múltiples rayos láser con precisión a las ubicaciones correctas desde dentro de un chip, de una manera tan estable que incluso se pueden realizar las operaciones cuánticas más delicadas sobre los átomos.

Construir computadoras cuánticas ha sido un objetivo ambicioso de los físicos durante más de treinta años. Los átomos cargados eléctricamente (iones) atrapados en campos eléctricos han resultado ser candidatos ideales para los bits cuánticos o qubits, que las computadoras cuánticas utilizan para sus cálculos.

   Hasta ahora, las mini computadoras que contienen alrededor de una docena de qubits podrían realizarse de esta manera. "Sin embargo, si desea construir computadoras cuánticas con varios miles de qubits, que probablemente serán necesarios para aplicaciones prácticamente relevantes, las implementaciones actuales presentan algunos obstáculos importantes", dice en un comunicado Karan Mehta, postdoctorado y primer autor del estudio publicado en la revista científica "Nature".

   Básicamente, el problema es cómo enviar rayos láser a varios metros desde el láser a un aparato de vacío y finalmente dar en el blanco dentro de un criostato, en el que las trampas de iones se enfrían a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto para minimizar perturbaciones térmicas.

   "Ya en los sistemas actuales a pequeña escala, la óptica convencional es una fuente significativa de ruido y errores, y eso se vuelve mucho más difícil de manejar cuando se intenta escalar", explica Mehta. Cuantos más qubits se agreguen, más compleja se vuelve la óptica de los rayos láser que se necesita para controlar los qubits. "Aquí es donde entra nuestro enfoque", agrega Chi Zhang, estudiante de doctorado y couator del trabajo: "Al integrar pequeñas guías de ondas en los chips que contienen los electrodos para atrapar los iones, podemos enviar la luz directamente a esos iones. De esta manera, las vibraciones del criostato u otras partes del aparato producen muchas menos perturbaciones".

   Los investigadores encargaron a una empresa electrónica que produjera chips que contengan electrodos de oro para las trampas de iones y, en una capa más profunda, guías de ondas para la luz láser. En un extremo de los chips, las fibras ópticas alimentan la luz a las guías de ondas, que tienen solo 100 nanómetros de grosor, formando efectivamente un cableado óptico dentro de los chips. Cada una de esas guías de ondas conduce a un punto específico en el chip, donde la luz finalmente se desvía hacia los iones atrapados en la superficie.

   El trabajo de hace unos años (por algunos de los autores del presente estudio, junto con investigadores del MIT y el Laboratorio Lincoln del MIT) había demostrado que este enfoque funciona en principio. Ahora, el grupo ETH ha desarrollado y perfeccionado la técnica hasta el punto en que también es posible usarla para implementar puertas lógicas cuánticas de bajo error entre diferentes átomos, un requisito previo importante para construir computadoras cuánticas.